數字孿生的理念最初是由美國密歇根大學的MichaelGrives教授于2003年明確提出。但其在國內引發廣泛性關注，是由于雄安新區的基本建設中明確提出，數字雄安基本建設最主要的創新，是建立與新區共同成長的數字孿生城市，而完成的主要方式，便是在基本建設物理城市的同時，運用物聯網感知，聚集各方數據構建城市智能化模型。2018年住建部起草的《“多規合一”相關業務協同平臺技術標準（征求意見稿）》，激勵有條件的城市，可在BIM應用的施工工藝上建立城市信息模型。中國工程院吳志強院士則明確提出了城市智能化模型，對CIM進行了更深入的闡釋。可以說，伴隨著CIM定義的明確提出和不斷深化，數字孿生城市建設將更加的深入。總之，這些理念的明確提出給予了智慧城市有力的支撐。
一、數字孿生城市建設：能夠滿足智慧可視的本質需求
為滿足城市創新運營和應用需求，數字孿生城市建設需要解決時空信息可視化問題。而可視化的本質是要解決客戶具體的相關業務問題，首先要解決城市管理者和數字孿生城市系統應用能“看得懂”的問題。三維場景更易于讓觀看者有代入感，能提高事件處理效率，減少問題響應時間。對于城市管理者來說 ，完成城市基礎設施可視化管理、城管部件可視化定位、城市用地信息可視化監測、城市應急指揮可視化決策等方面，能更好的滿足管理與決策上的高端應用。對于群眾來說 ，可視化的三維實景城市是客觀世界的真實寫照，不需要群眾具備專業知識來判斷理解，能依據實時場景進行問題查詢和處理。
基于三維實景建模與城市智能化模型的數字孿生城市建設，可運用高精密的三維實景模型為智慧城市時空大數據平臺提供全流程的可視化支撐，運用城市智能化模型通過生動準確描述實體單元并結合城市地理實體的動態性信息來支撐智慧城市各類應用，進而真正意義上完成智慧城市基本建設的智慧可視。
二、數字孿生城市建設路徑與方法
（1）城市三維地圖是數字孿生城市可視化的重要基礎
傳統式的智慧城市基本建設在空間規劃上已經完成系統化管理，但大體都停留在二維平面的階段，遠達不到智慧城市智慧化基本建設要求。三維空間的有效感知與實景可視化日漸變成城市建設管理的主要問題，也是數字孿生城市信息化的關鍵內容，從二維平面提高到三維立體已經變成數字孿生城市建設的迫切需求。
首先，從三維實景建模的數據來源來看，無人機航測、激光雷達、傾斜攝影等全新一代測繪信息技術方法的發展，可以迅速搜集制作精細化的城市三維模型和大比例尺地形圖，搭建三維城市地理信息基礎服務架構，為數字孿生城市建設提供高精密可視化的三維空間信息和位置服務。
其次，從三維實景模型的創建流程和優點來看，通過有效的描繪空間幾何模型、拓撲圖和語義等特性，來完成精細化的三維幾何表達，真正完成基礎設施特性的語義敘述，與物聯網進行擴展關聯，進而完成復雜地形地理環境的層面敘述。三維實景模型的一大特性就在于高低細節層面的有效轉化流程中，城市實景信息更為精細和豐富。“影像+模型”的方式完成了對目標的實景可視化查詢，對數字孿生城市進行智能化規劃和管理。
最后，從三維實景建模的應用場景來看，數字孿生城市需要完成城市管理精細化、基礎設施智能化、生活服務便利化的目標，在智慧政務、智慧城管、智慧醫療、智慧教育、智慧旅游等各方面達到“以更少投入獲取更優質、更高效產出”的城市系統。總而言之，城市三維實景建模從數據來源特性、模型優勢、應用場景等各方面為數字孿生城市可視化提供了重要基礎保障。
(2)以時空大數據推動數字孿生城市建設的科學性與高效性
時空大數據主要包含時序化的基礎時空數據信息、公共專題數據信息、物聯網實時感知數據信息、互聯網在線抓取數據信息和依據本地特色擴展數據信息，組成數字孿生城市建設所需的地上地下，室內室外，虛實一體化的、開放的、鮮活的時空數據資源。數字孿生城市建設需要借助城市大數據技術手段，在深層應用上，基于真實有效、高精密和對象化的城市三維實景環境，對城市大數據進行精確定位、深層挖掘，提升 數據信息表現力和價值，滿足城市不斷發展變化的要求。在廣度應用上，數字孿生城市建設關注大數據融合分析和應用，基于多源、海量數據分析，全面、準確地掌握事物特性和發展態勢、關鍵影響因素、發展規律，提升 政府科學決策水平，提供個性化、差異化服務，提升解決復雜問題的綜合能力。
（3）地理學模型、物聯網及三維模型的融合推動數字孿生城市精細化仿真模擬
地理學是探究地球表層自然和人文要素相互作用關系及其時空規律的學科，發展至今產生了覆蓋氣象，環保、應急、交通、水文等眾多領域的大批量地理學模型。伴隨著物聯網等技術的發展，無數智能終端設備每分每秒都在產生并傳遞海量的數據信息，這給傳統的地理學模型提供了更多的高精度、實時、豐富的數據來源，與此同時也對原來的模型明確提出了新的需求和挑戰。地理學模型、物聯網及三維模型的融合，能完成城市的精細化仿真模擬，為數字孿生城市建設管理等提供科學的決策依據。以內澇現象為例，一方面，內澇不能再做為單一的自然現象來探究，內澇的產生會引起后續的眾多城市管理問題，如交通阻塞、群眾經濟損失等，所以城市內澇的探究需要將視野放到整體城市的協調發展上。另一方面，內澇現象的持續時間不會很長，在這樣短時性的要求下，仍需為后續的城市管理提供學科的決策信息。因而，計算高效、注重內澇時空過程、實時準確地可視化呈現與提供智慧服務是數字孿生城市發展和管理對城市內澇模型新的需求。
（4）城市智能化模型是搭建數字孿生城市的關鍵技術
城市中的各實體的運行情況及其生產、生活活動是一個繁雜的綜合體，怎樣完成對其運轉情況的及時感知，風險及問題的較早預測和高效處理應對，需要創建一個具有大批量決策支撐信息的多維數據模型和系統來支撐上述高復雜性的分析，簡化管理機制并仿真模擬決策。在智慧城市發展應用中，通過CIM建模以完成對城市信息的評估和高效組織是發展的必然趨勢。CIM做為完成數字孿生城市的關鍵技術，雖然其應用從數量、范圍和深度上都有迅猛發展，但現階段依然存有空間建模較為單一、實體描述尺度粗泛、實體表述比較簡單及其難以達到真三維的高仿真模擬分析、處理和表述更多維度信息等問題。因此，探究并集成創新CIM技術，以完成對城市地理實體信息進行有效的組織，產生城市的數字化鏡像，并依托于這一鏡像有力支撐具體應用，從而完成針對城市各專業領域的規劃、建設和運轉管理等應用層面的有效協同、精確分析、實時預警預測及其動態的高仿真可視化管理。
三、基于數字孿生城市建設的智慧應用與實踐
（1）視頻和三維模型的結合展開數字孿生城市多場景運用
伴隨著智慧城市網絡通信層、物聯感知層、支撐平臺層、智慧應用層的深層次建設，如何把高效海量的城市動態視頻信息進行啟用、查看及其視頻場景分析，并與三維實時模型融合，成為當前智慧城市創新建設的關鍵內容。
城市三維地理信息視頻結合技術從城市地理信息運用的角度出發，依托于城市三維實景模型，匹配動態性監控視頻，直觀精確打造動態性數字孿生城市可視化沙盤，結合人工智能大數據分析、物聯網感知信息，及其業務應用系統，打破各系統信息孤島，提高數據信息運用價值，更好的服務于客戶，現階段能運用于交通、應急、安防、警用、城市內澇等各種場景。
視頻與三維模型有機結合首先能夠運用于路徑規劃調度，能在交通、應急處理發揮有效的作用。在數字孿生城市建設中根據城市道路走向、關鍵地區布署、特殊情景設計等要求，規劃和設置路徑瀏覽，實現若干事故預案儲存和調度，高效用于預置路徑全程動態性管控和實時態勢掌握，實現城市部門可視化精確指揮。其次，能夠展開全景細節追視，在安防、警用調查提供重要信息。警務部門在實現宏觀全景瀏覽的同時，關聯高速球機來捕獲目標特寫視頻畫面，解決細節不清晰、視野有偏差等問題，為運動目標的連續、精確管控提供有效的手段，在安保、警方快速獲取視頻信息并及時性做出判斷和響應層面提供有力技術支持。此外，還可以實現二維三維聯動，能對城市內澇、火災等自然災害進行及時性管控。通過二維場景和三維場景模型統一聯動操作，將二維場景作為整體觀測畫面，三維實景模型場景用于具體地區的視野全程監測，做到整體宏觀和具體細節的協調統一態勢感知，對自然災害的發生與突變做到及時性有效控制。
（2）數字孿生城市建設智慧應用的實踐
在基于三維實景建模和CIM的數字孿生城市建設上，進行了基本規劃和探索，試圖根據全新一代信息技術與城市現代化要求融合，為創新型智慧城市建設提供新思維和新途徑，并在諸多領域進行了深層次實踐。
在空間規劃領域，為化解CIM的應用潛能和優勢未充分運用的現況，在用地尺度建立多維態元胞模型，基于空間規劃對用地的推動，充分運用大數據分析在人群活動及空間行為決策發掘方面的優勢，進行空間規劃協助決策系統探究。
在智能化管理領域，基于智慧城市對設施進行生命周期管理的需要，CIM利用BIM在開發建設全流程中的仿真模擬和展現優勢，充分融合大數據技術在規劃設計、施工管理、運維管理等不同環節的數據信息關聯和信息發掘能力，建立耦合大數據分析的BIM模型，進行城市開發建設智能輔助決策系統探究。
在可視化應用領域，集成3DGIS、BIM、VR等高維空間可視化技術和方式的優勢，進行高仿真、動態化、可交互的可視化系統探究。
四、結語
智慧可視是智慧城市建設的前提條件。從現階段我國大多數城市信息化發展尚處于智能化前期環節的現實出發，基于三維實景建模與城市智能化模型進行數字孿生城市建設與智慧應用，將為創新型智慧城市建設提供新思維與新途徑，更好的支撐創新型智慧城市“無處不在的惠民服務、透明高效的在線政府、融合創新的信息經濟、精準精細的城市治理、安全可靠的運作體系”建設目標的實現。